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传感器知识

光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备,发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

LED(发光二极管)

发光二极管最早出现在19世纪60年代,现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。LED就是一种半导体元件,其电气性能与普通二极管相同,不同之处在于当给LED通电流时,它会发光。由于LED是固态的,所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小,且比白炽灯传感器更可靠。不象白炽灯那样,LED抗震动抗冲击,并且没有灯丝。另外,LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。(激光二极管除外,它与普通LED的原理相同,但能产生几倍的光能,并能达到更远的检测距离)。LED能发射人眼看不到的红外光,也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。

经调制的LED传感器

  1970年,人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点,就是它能够以非常快的速度来开关,开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发射器的调制频率,那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。

 我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。将收音机调到某台,就可以忽略其他的无线电波信号。经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器,其接收器就相当于收音机。人们常常有一个误解:认为由于红外光LED发出的红外光是看不到的,那么红外光的能量肯定会很强。经过调制的光电传感器的能量的大小与LED光波的波长无太大关系。一个LED发出的光能很少,经过调制才将其变得能量很高。一个未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段,使接收器只能接收到发射器发出的光,才能使其能量变得很高。相比之下,经过调制的接收器能忽略周围的光,只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射,如刚出炉的红热瓶子,在这种应用场合如果使用其它的传感器,可能会有误动作。如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话,那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到。周围光源接收器也可以用来检测室外光。但是并不是说经调制的传感器就一定不受周围光的干扰,当使用在强光环境下时就会有问题。例如,未经过调制的光电传感器,当把它直接指向阳光时,它能正常动作。我们每个人都知道,用一块有放大作用的玻璃将阳光聚集在一张纸上时,很容易就会把纸点燃。设想将玻璃替换成传感器的镜头,将纸替换成光电三极管,这样我们就很容易理解为什么将调制的接收器指向阳光时它就不能工作了,这是周围光源使其饱和了。调制的LED改进了光电传感器的设计,增大了检测距离,扩展了光束的角度,人们逐渐接受了这种可靠易于对准的光束。到1980年,非调制的光电传感器逐步就退出了历史舞台。

  红外光LED是效率最高的光束,同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。但是有些传感器需要用来区分颜色(如色标检测),这就需要用可见光源。

  在早期,色标传感器使用白炽灯做光源,使用光电池接收器,直到后来发明了高效的可见光LED。现在,多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器。经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离,这是因为检测距离是一个非常重要的参数。未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体,这些场合要求的响应速度都非常快。但是,现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度,能满足大多数的检测应用。

超声波传感器

  声波传感器所发射和接收的声波,其振动频率都超过了人耳所能听到的范围。它是通过计算声波从发射,经被测物反射回到接收器所需要的时间,来判断物体的位置。对于对射式超声波传感器,如果物体挡住了从发射器到接收器的声波,则传感器就会检测到物体。与光电传感器不同,超声波传感器不受被测物透明度和反光率的影响,因此在许多使用超声波传感器的场合就不适合使用光电传感器来检测。

光纤

    安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下,我们可以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用,是无源元件,另外,光纤不受任何电磁信号的干扰,并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯要低,因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处(入射角在一定范围内,),被全部反射回来。根据光学原理,所有光束都可以由光纤来传输。

  两条入射光束(入射角在接受角以内)沿光纤长度方向经多次反射后,从另一端射出。另一条入射角超出接受角范围的入射光,损失在金属外皮内。这个接受角比两倍的最大入射角略大,这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响(弯曲半径要大于最小弯曲半径)。大多数光纤是可弯曲的,很容易安装在狭小的空间。

  玻璃光纤

  玻璃光纤由一束非常细(直径约50μm)的玻璃纤维丝组成。典型的光缆由几百根单独的带金属外皮玻璃光纤组成,光缆外部有一层护套保护。光缆的端部有各种尺寸和外形,并且浇注了坚固的透明树脂。检测面经过光学打磨,非常平滑。这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率。

  玻璃光纤内的光纤束可以是紧凑布置的,也可随意布置。紧凑布置的玻璃光纤通常用在医疗设备或管道镜上。每一根光纤从一端到另一端都需要精心布置,这样才能在另一端得到非常清晰的图像。由于这种光纤费用非常昂贵并且多数的光纤应用场合并不需要得到一个非常清晰的图像,所以多数的玻璃光纤其光纤束是随意布置的,这种光纤就非常便宜了,当然其所得到的图像也只是一些光。

  玻璃光纤外部的保护层通常是柔性的不锈钢护套,也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纤可用于特殊的空间或环境,其检测头做成不同的形状以适用于不同的检测要求。

  玻璃光纤坚固并且性能可靠,可使用在高温和有化学成分的环境中,它可以传输可见光和红

  外光。常见的问题就是由于经常弯曲或弯曲半径过小而导致玻璃丝折断,对于这种应用场合,我们推荐使用塑料光纤。

  塑料光纤

  塑料光纤由单根的光纤束(典型光束直径为0.251.5mm)构成,通常有PVC外皮。它能安装在狭小的空间并且能弯成很小的角度。

  多数的塑料光纤其检测头都做成探针形或带螺纹的圆柱形,另一端未做加工以方便客户根据使用将其剪短。邦纳公司的塑料光纤都配有一个光纤刀。不像玻璃光纤,塑料光纤具有较高的柔性,带防护外皮的塑料光纤适于安装在往复运动的机械结构上。塑料光纤吸收一定波长的光波,包括红外光,因而塑料光纤只能传输可见光。

  与玻璃光纤相比,塑料光纤易受高温,化学物质和溶剂的影响。

  对射式和直反式光纤玻璃光纤和塑料光纤既有“单根的”-对射式,也有“分叉的”-直反式。单根光纤可以将光从发射器传输到检测区域,或从检测区域传输到接收器。分叉式的光纤有两个明显的分支,可分别传输发射光和接收光,使传感器既可以通过一个分支将发射光传输到检测区域,同时又通过另一个分支将反射光传输回接收器。

  直反式的玻璃光纤,其检测头处的光纤束是随意布置的。直反式的塑料光纤,其光纤束是沿光纤长度方向一根挨一根布置。

光纤的特殊应用

  由于光纤受使用环境影响小并且抗电磁干扰,因而能被用在一些特殊的场合,如:适用于真空环境下的真空传导光纤(VFT)和适用于爆炸环境下的光纤。在这两个应用中,特制的光纤安装在特殊的环境中,经一个法兰引出来接到外面的传感器上,光纤和法兰的尺寸多种多样。本安型传感器,如NAMUR型的传感器,可直接用在特殊或有爆炸性危险的环境中。 

 光电二极管

光电二极管" 英文通常称为 Photo-Diode

光电二极管和普通二极管一样,也是由一个PN结组成的半导体器件,也具有单方向导电特性。但是,在电路中不是用它作整流元件,而是通过它把光信号转换成电信号。那么,它是怎样把光信号转换成电信号的呢?大家知道,普通二极管在反向电压作用在处于截止状态,只能流过微弱的反向电流,光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用在工作的,没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;有光照时,反向电流迅速增大到几十微安,称为光电流。光的强度约大,反向电流也约大。光的变化引起光电二极管电流变化,这就可以把光信号转换成电信号,成为光电传感器件。

检测方法:

①电阻测量法(用万用表1k)。光电二极管正向电阻约10kΩ左右。在无光照情况下,反向电阻为田时,这管子是好的(反向电阻不是∞时说明漏电流大);有光照时,反向电阻随光照强度增加而减小,阻值可达到几kΩ或1kΩ以下,则管子是好的;若反向电阻都是∞或为零,则管子是坏的。

②电压测量法(用万用表1V)。用红表笔接光电二极管“+”极,黑表笔接“—”极,在光照下,其电压与光照强度成比例,一般可达0204V

③短路电流测量法。(用万用表50μA)用红表笔接光电二极管“+”极,黑表笔接“—”极,在白炽灯下(不能用日光灯),随着光照增强,其电流增加是好的,短路电流可达数十至数百µA

在实际工作中,有时需要区别是红外发光二极管,还是红外光电二极管(或者是光电三极管)。其方法是:若管子都是透明树脂封装,则可以从管芯安装外来区别。红外发光二极管管芯下有一个浅盘,而光电二极管和光电三极管则没有;若管子尺寸过小或黑色树脂封装的,则可用万用表(1k) 来测量电阻。用手捏住管子(不让管子受光照),正向电阻为20-40kΩ,而反向电阻大于200kΩ的是红外发光二极管;正反向电阻都接近∞的是光电三极管;正向电阻在10k左右,反向电阻接近∞的是光电二极管。 

压敏电阻工作原理

压敏电阻(Varistor)是一种用得最多的限压器件。现在大量使用的是氧化锌(ZnO)压敏电阻,外面包封环氧树脂(可添加颜料)。它相当于一个可变电阻,当元件二端的电压增大时,由于内部二极管达到击穿电压时的电阻值减小,从而过电压箝位在一定值。由于压敏电阻的突波承受能力取决于它的物理尺寸,因而有可能获得较高的浪涌电流值,但是它的可靠性较差,易老化。 

  通常来说,压敏电阻(Varistor)是一次性使用的,这也是其成分所决定的,因为受到过压(过流)冲击以后,其内部结构发生不可逆的变化,氧化锌分子的排列由无序变成有序(或部分有序),甚至会发生爆炸(保护套)。

  通常以在压敏电阻上通过1mA直流电流时的电压来表示其是否导通的标志电压,这个电, 压就称为压敏电压, , UN。压敏电压也用符号U1mA表示。压敏电压的误差范围一般是±10%

在试验和实际使用中,通常把压敏电压从正常值下降10%作为压敏电阻失效的判据。

光敏电阻

   光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。

通常,光敏电阻器都制成薄片结构,以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时,半导体片(光敏层)内就激发出电子—空穴对,参与导电,使电路中电流增强。一般光敏电阻器结构如图所示。

根据光敏电阻的光谱特性,可分为三种光敏电阻器:

紫外光敏电阻器:对紫外线较灵敏,包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等,用于探测紫外线。

红外光敏电阻器:主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器,广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱,红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

可见光光敏电阻器:包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统,如光电自动开关门户,航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭,自动给水和自动停水装置,机械上的自动保护装置和“位置检测器”,极薄零件的厚度检测器,照相机自动曝光装置,光电计数器,烟雾报警器,光电跟踪系统等方面。 

热电偶是一种常见的温度检测传感器,用于感测温度工作原理是温度变化其两端电位大小不同 

热电偶---一种测温度的传感器,与热电阻一样都是温度传感器,但是他和热电阻的区别主要在于: 

第一,信号的性质,热电阻本身是电阻,温度的变化,使电阻产生正的或者是负的阻值变化;而热耦,是产生感应电压的变化,他随温度的改变而改变。 

第二,两种传感器检测的温度范围不一样,热阻一般检测0-150度温度范围(当然可以检测负温度),热耦可检测0-1000度的温度范围(甚至更高)所以,前者是低温检测,后者是高温检测。 

第三,从材料上分,热阻是一种金属材料,具有温度敏感变化的金属材料,热耦是双金属材料,既两种不同的金属,由于温度的变化,在两个不同金属丝的两端产生电势差。

 

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